100%低地板軌道車輛的動力學分析

李玉青， 陳　康， 張　江， 胡立錚， 劉啟昂

(西南交通大學　牽引動力國家重點實驗室， 四川成都 610031)

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地鐵與輕軌

100%低地板軌道車輛的動力學分析

李玉青， 陳康， 張江， 胡立錚， 劉啟昂

(西南交通大學牽引動力國家重點實驗室， 四川成都 610031)

運用SIMPACK多體動力學仿真軟件建立了一種采用小輪徑傳統(tǒng)輪對轉向架的100%低地板軌道車輛模型，并分析了初始參數(shù)下車輛的穩(wěn)定性和平穩(wěn)性。結果表明：(1)該車輛具有良好的穩(wěn)定性；(2)該車輛的垂向平穩(wěn)性為優(yōu)，橫向平穩(wěn)性較差。為了改善車輛運行的橫向平穩(wěn)性，對轉向架懸掛參數(shù)進行了優(yōu)化，最后在空車工況和定員工況下對優(yōu)化后車輛的動力學性能做了進一步分析。

小輪徑傳統(tǒng)輪對轉向架； 100%低地板軌道車輛； 優(yōu)化； 空車工況； 定員工況； 動力學分析

自20世紀80年代以來低地板軌道車輛有了蓬勃發(fā)展，尤其是100%低地板軌道車輛以其無需設置站臺、方便旅客上下車而備受歡迎。低地板結構的核心技術在于承載車體的轉向架，國內外主要采用獨立旋轉車輪轉向架和小輪徑傳統(tǒng)輪對轉向架來實現(xiàn)低地板結構。《一種小輪徑低地板軌道車輛轉向架方案研究》提出了3種采用小輪徑傳統(tǒng)輪對的100%低地板軌道車輛轉向架方案，每種方案包括動力轉向架和非動力轉向架，方案中對輪對、構架、軸箱、一系懸掛、二系懸掛、驅動系統(tǒng)、制動盤等進行了深入研究，并從結構性能方面比較了3種方案的優(yōu)缺點，但沒有對轉向架的動力學性能做進一步分析。本文采用其中最為優(yōu)越的一種轉向架方案，利用多體動力學軟件SIMPACK建立了一種浮車型、5輛車編組模式的100%低地板軌道車輛，著重分析了其動力學性能，為今后低地板軌道車輛的方案設計提供理論參考。

1　100%低地板軌道車輛建模

1.1車輛編組及車端聯(lián)結方案

100%低地板軌道車輛采用“六軸五車體模塊”的編組形式，整列車分別由兩端的司機室車體、中間的短車體及2個較長的浮車車體組成，在司機室和短車體下方都各布置一個轉向架，如圖1所示。

車體各模塊之間的鉸接有3種型式：固定鉸、轉動鉸和自由鉸，利用SIMPACK軟件進行建模時通過約束Constraints來實現(xiàn)車體之間的鉸接。相鄰車體的下鉸采用固定鉸連接，固定鉸能繞3個方向旋轉，但限制3個方向的平動，固定鉸承受了車體的垂向力，傳遞大部分的縱向力和橫向力，在SIMPACK中用10號球鉸Spherical來實現(xiàn)固定鉸的功能。相鄰車體的上鉸通常采用轉動鉸，轉動鉸僅能繞垂直軸旋轉，并承受縱向力和橫向力，在SIMPACK中上鉸采用25號自定義鉸User Defined Constraint，并限制x、y方向的自由度。固定鉸和轉動鉸聯(lián)合使用，限制了相鄰車體間的浮沉運動和側滾運動，使得相鄰車體間僅存在相對搖頭自由度。為了保證整列車能適應上下坡道，在一個懸浮車體和中間車體之間的上鉸采用自由鉸連接，在SIMPACK中通過設置一橫向拉桿來實現(xiàn)，橫向拉桿兩端與兩車體用球鉸鉸接在一起[1]。

圖1　車輛編組及車端聯(lián)結方案

1.2轉向架總體結構概況

該100%低地板軌道車輛采用小輪徑傳統(tǒng)輪對轉向架，包括2臺動力轉向架和1臺非動力轉向架。動力轉向架主要部件組成包括①內置式構架裝置；②錐形橡膠彈簧定位裝置；③高繞螺旋彈簧中央懸掛裝置；④單牽引拉桿裝置；⑤一軸一盤的軸盤制動裝置和2套磁軌制動裝置；⑥外側懸掛縱向布置的電機齒輪箱和傳動裝置。

與動力轉向架相比，非動力轉向架沒有電機齒輪箱和傳動裝置，每軸有兩個軸盤制動器，分別置于車軸的端部，制動盤與車軸之間通過螺栓進行連接，其余結構則與動力轉向架相同[2]。

動車轉向架總體結構如圖2所示，車體主要技術參數(shù)如表1所示。

圖2　100%低地板軌道車輛動力轉向架

2　100%低地板軌道車輛的動力學分析

車輛系統(tǒng)的動力學性能主要取決于懸掛參數(shù)的匹配，在建立好車輛系統(tǒng)動力學計算模型后，首先分析車輛在初始參數(shù)下的穩(wěn)定性和平穩(wěn)性，然后根據(jù)計算結果對轉向架懸掛參數(shù)進行優(yōu)化，最后對優(yōu)化后車輛的動力學性能作進一步分析，計算工況為：

表1　車體主要技術參數(shù)

(1)穩(wěn)定性是機車車輛安全運行的首要問題之一，備受關注，一旦車輛系統(tǒng)出現(xiàn)了蛇行失穩(wěn)，運行品質將急劇惡化，并造成一系列安全隱患。因此，在分析車輛運行穩(wěn)定性時，軌道激勵采用線路條件較惡劣的美國V級線路譜。

(2)低地板軌道車輛主要在城市中運行，線路條件相對較好，因此,在分析車輛運行平穩(wěn)性和曲線通過性能時，軌道激勵采用美國Ⅵ級線路譜，曲線參數(shù)為：直線段長50 m,緩和曲線段長20 m,圓曲線段長30 m，曲線半徑為50 m。

2.1100%低地板軌道車輛的穩(wěn)定性分析

評價車輛穩(wěn)定性的方法為：在軌道上加50 m的美國V級線路不平順，當車輛以某一速度通過激勵后，輪對會有一定的橫向位移，并在平直光滑的軌道上進行衰減，經過一段時間的運行后，若各輪對橫向位移能收斂于平衡位置，則車輛在這一速度下運行是穩(wěn)定的，若不能充分衰減而存在較大的極限環(huán)振動，則車輛在該速度下運行已經失穩(wěn)。

該100%低地板軌道車輛的最高運行速度為80 km/h,圖3為以160 km/h的速度通過具有美國V級線路不平順的軌道時，各輪對的橫向振動位移在時域內的響應。由圖知，車輛通過激勵時，各輪對均產生一較大的橫向位移，并于平直光滑的軌道上迅速衰減到平衡位置，該車輛具有極佳的穩(wěn)定性。

2.2100%低地板軌道車輛的平穩(wěn)性分析

采用小輪徑傳統(tǒng)輪對轉向架實現(xiàn)的100%低地板，嚴格意義來講不是真正的100%低地板，因為其車輪直徑通常在500～600 mm，不能太小，否則車輪強度將受到較大考驗，這樣轉向架上方無法實現(xiàn)低地板結構，地板面高度約450 mm左右，而車輛入口處的地板面高度約350 mm，若設置臺階既會影響車輛的美觀也會大大降低乘車的便捷性，因此將車體之間通過斜坡進行過渡連接，同樣為老人、兒童、殘疾人等特殊群體的乘車提供了便利，實現(xiàn)了100%低地板的功能。

該100%低地板軌道車輛由5節(jié)車體組成，浮車車體通過鉸接與相鄰車體連掛，這種特殊的結構使得各車體振動特性既相互關聯(lián)又存在差異。為了較好地反映低地板車輛的平穩(wěn)性，在每節(jié)車體地板面高度都設置傳感器，其中，兩端的司機室車體和中間短車體設置在距轉向架中心右側1 m，距軌面高450 mm處；兩節(jié)浮車設置在距車體中心前后1.8 m，左右1 m,距軌面高350 mm處。初始參數(shù)下，該100%低地板軌道車輛以20～80 km/h的速度在具有美國Ⅵ級線路不平順的軌道上運行時，各車體橫向與垂向平穩(wěn)性指標如圖4所示。

圖3　各輪對的橫向振動位移在時域內的響應

圖4　各車體橫向、垂向平穩(wěn)性指標

按照我國對客車車輛平穩(wěn)性指標的評定GB 5599-1985標準:平穩(wěn)性指標W<2.5時，平穩(wěn)性等級為一級，評定結果為優(yōu)；平穩(wěn)性指標2.5

從計算結果看，各車體的橫向、垂向平穩(wěn)性指標隨著速度的增加而增大，在最高運行速度80 km/h以內，垂向平穩(wěn)性指標均小于2.5，達到了一級標準；在20～40 km/h的低速段，各車體橫向平穩(wěn)性指標小于2.5，隨著速度的增加，各車體橫向平穩(wěn)性逐漸變差，當速度達到70 km/h時，橫向平穩(wěn)性指標均大于2.75，該100%低地板軌道車輛的橫向平穩(wěn)性有待提高。

3　二系懸掛參數(shù)對100%低地板軌道車輛平穩(wěn)性的影響

二系懸掛參數(shù)對車輛的平穩(wěn)性影響顯著，其中，二系懸掛橫向剛度和橫向減振器阻尼主要影響車輛的橫向平穩(wěn)性，而二系懸掛垂向剛度和垂向減振器阻尼主要影響車輛的垂向平穩(wěn)性[3]。由初始參數(shù)下的計算結果可知，車輛的橫向平穩(wěn)性較差，速度超過70 km/h時，橫向平穩(wěn)性指標將大于2.75，因此重點分析二系懸掛橫向剛度和橫向減振器阻尼對車輛橫向平穩(wěn)性的影響，并提出一組優(yōu)化結果。

3.1二系懸掛橫向剛度對橫向平穩(wěn)性的影響

以美國Ⅵ級線路不平順作為激擾，車輛運行速度為80 km/h時，二系懸掛橫向剛度對各車體橫向平穩(wěn)性的影響如圖5所示。

圖5　二系懸掛橫向剛度對橫向平穩(wěn)性的影響

由圖5可知，二系懸掛橫向剛度越大，車體橫向平穩(wěn)性越差，為保證各車體橫向平穩(wěn)性均達到一級標準，二系懸掛橫向剛度不得大于150 kN/m 。

3.2二系橫向減振器阻尼對橫向平穩(wěn)性的影響

以美國Ⅵ級線路不平順作為激擾，車輛運行速度為80 km/h時，二系橫向減振器阻尼對橫向平穩(wěn)性的影響如圖6所示。

圖6　二系橫向減振器阻尼對橫向平穩(wěn)性的影響

由圖可知，隨著阻尼的增大，各車體橫向平穩(wěn)性指標先減小后緩慢增大，在25～35 kN·s/m的范圍內，各車體橫向平穩(wěn)性均能達到一級標準。

綜上所述，該100%低地板軌道車輛以80 km/h的速度在美國Ⅵ級線路上運行時，為了使各車體橫向平穩(wěn)

性均能達到一級標準，二系懸掛橫向剛度不得大于150 kN/m，二系橫向減振器阻尼應保持在25～35 kN·s/m范圍內。

4　100%低地板軌道車輛的參數(shù)優(yōu)化及動力學分析

綜合上述二系懸掛參數(shù)對車輛平穩(wěn)性的影響，對轉向架部分參數(shù)做如下優(yōu)化：由于二系懸掛裝置采用高圓簧，其縱向和橫向剛度同時變化，故將二系懸掛的縱、橫向剛度均設為150 kN/m，二系懸掛垂向剛度保持不變，二系橫向減振器阻尼仍設為30 kN·s/m。

優(yōu)化車輛懸掛參數(shù)后，以美國Ⅵ級線路不平順作激擾，對該100%低地板軌道車輛在空車工況和定員工況下的動力學性能做進一步分析，測定的動力學指標包括橫向平穩(wěn)性指標、垂向平穩(wěn)性指標、脫軌系數(shù)、輪軌橫向力、輪重減載率等。

4.1平穩(wěn)性分析

以美國Ⅵ級線路不平順作為激擾，該100%低地板軌道車輛在空車工況和定員工況下以60～80 km/h的速度運行時，各車體的平穩(wěn)性指標如表2、表3所示。

表2　空車工況下各車體的平穩(wěn)性指標

表3　定員工況下各車體平穩(wěn)性指標

由表2、表3可知，該100%低地板軌道車輛以60～80 km/h的速度在空車工況和定員工況下運行時，橫向平穩(wěn)性、垂向平穩(wěn)性均能達到一級標準，且定員工況下的平穩(wěn)性優(yōu)于空車工況下的平穩(wěn)性。

4.2曲線通過性分析

曲線通過性是評估車輛安全性的一個重要指標，取車輛以10 km/h的速度通過半徑為50 m的平曲線，曲線參數(shù)為：直線段長50 m,緩和曲線段長20 m,圓曲線段長30 m,在軌道上施加美國Ⅵ級線路不平順，分別計算空車工況和定員工況下各輪對左側車輪的輪軌橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率等動力學指標。

根據(jù)GB 5599-1985規(guī)定，脫軌系數(shù)第1限度不大于1.2，第2限度不大于1.0；輪重減載率第1限度不大于0.65，第2限度不大于0.60；輪軌橫向力的極限值Q≤19+0.3Pst，Pst為車輪靜載荷，該100%低地板軌道車輛空車工況下的軸重為8 t，定員工況下的軸重為11 t,計算得Q空車≤30.76 kN,Q定員≤35.17 kN。由表4、表5可知，車輛在空車工況和定員工況下通過曲線時，導向輪對的動力學指標普遍高于非導向輪對，且都能滿足標準要求。

表4　空車工況下的曲線通過性分析

表5　定員工況下的曲線通過性分析

5　結束語

通過對該100%低地板軌道車輛的建模和動力學分析可得以下結論：

(1)初始參數(shù)下，該100%低地板軌道車輛的穩(wěn)定性及垂向平穩(wěn)性良好，其橫向平穩(wěn)性較差；

(2)為改善車輛橫向平穩(wěn)性，對轉向架懸掛參數(shù)進行了優(yōu)化，優(yōu)化結果為：將二系懸掛的縱、橫向剛度設為150 kN/m，二系懸掛垂向剛度保持不變，二系橫向減振器阻尼仍設為30 kN·s/m。

(3)優(yōu)化后，該100%低地板軌道車輛在美國Ⅵ級線路上運行時，速度在60～80 km/h范圍內，空車工況和定員工況下各車體的橫向、垂向平穩(wěn)性均能達到一級標準；

(4)優(yōu)化后，該100%低地板軌道車輛分別在空車工況和定員工況下以10 km/h的速度通過半徑為50 m的曲線時，各輪對的輪軌橫向力、輪重減載率、脫軌系數(shù)都能滿足要求。

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The Dynamics Analysis of 100% Low-floor Light Rail Vehicle

LIYuqing，CHENKang，ZHANGJiang，HULizheng，LIUQi’ang

(Traction Power State Key Laboratory,Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031 Sichuan,China)

A kind of 100% low-floor light rail vehicle with small diameter wheel bogies was established by the use of the multi-body dynamics analysis software SIMPACK, then the stability and ride comfort were evaluated under initial conditions. The numerical results indicated that the vehicle system had excellent hunting stability and vertical ride comfort, but its lateral ride comfort was poor. In order to improve its lateral ride comfort, the suspension parameters of the bogie got optimized. Lastly the vehicle's dynamic performances in unloaded condition and loaded condition were further studied after the optimization.

small diameter wheel bogies; 100% low-floor light rail vehicle; optimization; unloaded condition; loaded condition; dynamic performances

1008-7842 (2016) 04-0067-05

??)女，碩士研究生(

2016-03-10)

U239.5

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.17